【研究成果】「快速電波爆」謎底呼之欲出?

by 朱 富國
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撰稿張鳳吟(科學推展中心特約編輯)


 

近年來,快速電波爆(fast radio burst,簡稱FRB)受到天文學界的廣泛關注。快速電波爆是宇宙深處短暫而強烈的電波脈衝,持續僅數毫秒,在2007年才由天文學家Duncan Lorimer從澳洲帕克斯(Parkes)電波望遠鏡2001年脈衝星的檔案資料中發現。FRB的來源與成因還是個謎,一般相信它來自銀河系外,而關於FRB的理論超過數十種,磁星(magnetar)便是其中一種可能選項。

磁星是具有極高磁場(\(≥10^{14}\)高斯)的中子星,因其高磁場而轉速較一般中子星慢,並會發射大量的X射線與伽瑪射線,目前銀河系與麥哲倫雲內已知大約有30個磁星。2020年4月28號,一顆名為SGR 1935+2154的磁星發生一連串X射線爆發活動,加拿大CHIME電波望遠鏡同時記錄到極強的FRB訊號[1],這是第一個銀河系內的FRB事件,證明部分FRB是由磁星引起的假設,但磁星如何引發FRB的機制並不清楚。

2022年10月,這顆磁星(SGR 1935+2154)又再度發生頻繁的X射線爆發行為,維持數日,2023年甫獲得台灣物理學會傑出年輕物理學者的國立彰化師範大學物理系胡欽評副教授與其參與的國際合作團隊,包括日、美與歐洲多名學者,緊急申請利用NASA的兩個X光望遠鏡――中子星內部組成探測器(Neutron Star Interior Composition Explorer,NICER)與核光譜望遠鏡陣列(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,NuSTAR)――對這顆磁星進行密集的觀測。團隊觀測到FRB 發生的前後約4.5小時,各發生一次自轉速率急遽增加 (稱為 glitch) 的現象,而這兩次也是迄今觀察到的glitch最大級別。儘管glitch現象在其它中子星也有過觀測,然而在這樣短時間內連續兩次發生並涉及到FRB,卻是首次被記錄,為解開FRB產生的背後機制提供重要之線索。此重要成果刊登在國際著名的《自然》期刊[2],胡欽評副教授為第一作者。

團隊追蹤X射線脈衝的抵達時間,並以短期最佳化的自轉模型觀察後續的脈衝抵達相位,以此得到長期的最佳化模型,如下圖,其中紅虛線標記FRB發生的時刻,定為時間0,兩旁的虛點線、點線分別代表第一次與第二次的glitch。從圖1b和1c可看到兩次自轉速率突然增加,其間自轉速率下降率約增加100倍,同時FRB發生前約兩小時X射線爆發生率與非爆發X射線通量突然增加,然後遞減。磁星自轉速度在兩次glitches之間明顯下降,暗示著有能量以某些形式被釋放出來,並有某種機制將角動量帶離系統。團隊以磁層風的來解釋(這圖像也應用在2020年10月的事件)[3]:第一次的glitch將星體殼層與磁層耦合,增強了X射線的訊號,並且產生強烈短暫的磁層風提供力矩減緩星體旋轉,磁星磁場結構受到改變,而可能提供發生FRB的環境。在後續的研究中,團隊發現在FRB 發生前1.5小時,該磁星的X射線光譜有劇烈的變化,這可能是磁場結構產生改變的證據。 

磁星兩次glitches之間(a)脈衝抵達相位、(b)自轉頻率、(c)自轉遞減速率(spin-down rate)、(d)X射線爆發生率與 (e)每秒X射線光子數的演變。紅虛線代表FRB發生時刻,兩旁虛點線、點線分別代表第一次與第二次的glitch。

儘管FRB的產生機制仍然是個謎,它們的來源也可能不限於磁星,涵蓋其它類型的天體,但未來針對類似SGR 1935+2154磁星的觀測,透過無線電波與X射線多波段的密集監控,將朝向解開FRB之謎邁出重要的一步。


 

參考資料

[1] The CHIME/FRB Collaboration. A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar. Nature 587, 54–58 (2020). 

[2] Hu, CP., Narita, T., Enoto, T. et al. Rapid spin changes around a magnetar fast radio burst. Nature 626, 500–504 (2024). 

[3] Younes, G., Baring, M. G., Harding, A. K. et al. Magnetar spin-down glitch clearing the way for FRB-like bursts and a pulsed radio episode. Nature Astronomy, 7, 339 – 350 (2023).

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